JP6157490B2 - イーサネット用切換機能を有するユニット - Google Patents

Description

本発明は、イーサネット用切換機能を有するユニットに関しており、殊に、切換機能を有する複数のアクティブなコンポーネントを含むユニットであって、空間的な拡がりが大きく、イーサネットに基づきかつ利用度の高いネットワーク用のユニットに関する。

リアルタイムイーサネットとも称される産業用イーサネットは、例えば工業製造のような工業分野で使用される複数の装置をネットワーク接続するために、イーサネット規格を利用できるようにしようとする様々な努力に対する上位概念である。

このような分野では一般的に、互いに通信してデータを交換する多数の装置が互いにネットワーク接続される。殊にこの際には一般的に、それ自体に複数の端末装置ないしは通信関与体を接続できる複数の制御装置を互いに接続しなければならない。このためには、制御機能を有する複数のネットワーク装置（制御装置）を１つのリングトポロジにまとめて接続し、端末装置ないしは通信関与体それ自体が各制御装置に接続されることが多い。

リングトポロジの場合、その基本的な動作の仕方からすでに冗長性が生じる。これによれば（簡単にいうと）１つのパケットないしはいわゆるフレームまたはトークンは、リングに沿って進み、まずこのリングの各ノードにおいて停止する。ノードがデータを伝送したい場合、このノードは、目標ノードの目標アドレスおよびデータを上記のパケットに付け加える。このパケットは引き続いて目標ノードを探して上記のリングを循環する。目標ノードが見つかった場合、相応する上記のデータはパケットから取り出されて渡され、上記の循環サイクルが上記のように続けられる。

例えばケーブル接続における誤りによって上記のリングの片道が中断された場合、上記のパケットはリングを逆方向に走行することもでき、ひいてはすべてのリングノードにまだ到達することができる。さらに２重リング構造であれば、引き続いて動作保証がなされ、ここでこれは、この２重リングの少なくとも一部分が１重リングの中断区間のブリッジとして利用できるか、または上記の２重リングの各リングが、ネットワーク全体が中断されることのない中断部を有し得ることによって行われる。

このようなネットワークにおいて大いに注意を向けるべきであるのは、このネットワークによって得られる利用可能度である。さらに、互いにネットワーク接続すべきコンポーネントの個数がつねに増大するのに伴って増大する複雑度には、帯域幅および／またはビットレートをつねに増大させる必要である。

空間的に分散される装置または連結可能な車両用の制御装置のメーカ、例えばレール車両またはレール車両用システムのメーカは、ネットワーク接続すべき装置ないしは制御装置の個数の増大する場合、および／または、従来使用されているバスシステムの限界においてケーブル長が増大する場合に困難にぶつかっているのであり、これらのバスシステムはもはや例えば個々のネットワーク関与体に対して十分な帯域幅を、および／またはネットワークの所要の高い利用可能度の達成を明言することができないのである。

図１には、コンシストとも称されるレール車両の例示的な連結体が略示されており、このコンシストは、例えば動力車のような両端部の１つずつの駆動車両２と、これらの駆動車両２間の複数の客車または貨車４とを有する。連結されたレール車両結合体全体を通し、複数の関与体８を有するケーブル長Ｌのバスまたはネットワーク構造体６が延在しており、ここでこれらの関与体は、例えば、複数の駆動車両２のうちの少なくとも１つの駆動車両における少なくとも１つの制御装置、少なくとも１つの車両４における少なくとも１つの他のネットワーク関与体、例えば別の制御装置、通信関与体および／または端末装置である。

一般的に例えばＣＡＮのようなバス構造に基づく従来のネットワーク形態における帯域幅の問題は、簡単にいうと、コリジョン時に一般的に必要とされる、バス上での伝搬時間の考慮に結び付く。なぜならば、上記の伝搬時間が経過してはじめて、判定装置において、例えばマスタ機能を有する箇所において、またはアービトレーションないしはコリジョン解消のための手段において、例えばネットワーク区間またはネットワーク装置が機能しているか否かについての判定を行うことができるからである。例えば、ネットワーク装置の個数が多いことによって給電すべき領域が広くなることにより、および／または、例えばおいて個々の車両を結合することによって長いる列車になったレール車両連結体において発生し得るケーブルまたはネットワーク長が長くなることにより、ネットワークの長さが長くなることに起因してバスが長くなる場合、利用可能になるデータレートないしはビットレートは、伝搬時間が長くなることによって低下する。データレートを付加的に形成するネットワーク関与体の個数が多くなると、１つのネットワーク関与体が利用可能なデータレートの減少はさらに大きくなる。

図１によれば、車両４の長さが２５ｍであり、また例えば車両が１６個連結されている、すなわち列車の長さ約４００ｍであるいう仮定の下では、敷設用付加物を含めたバスまたはネットワーク構造体のケーブル長Ｌは、例えば適切または所要の導体ガイドまたは安全上の要因により、レール車両連結体全体を通ると容易に８００ｍに達してしまうのである。

例えばＣＡＮ（Controller Area Network）、Profibus，ＭＶＢ（Multifunction Vehicle Bus）などのような従来のバスシステムおよびネットワーク技術は、上記のケーブル長の場合、所要の帯域幅をもはや保証することはできず、したがって場合によってセグメント化し、これらのセグメントを接続するための付加的な階層構造を形成しなければならない。確かにこれにより、場合によっては必要なデータレートを維持することが可能である。しかしながら付加的なコストおよびこれそのものに伴って故障の確率が高くなることにより、ネットワークの利用可能度が低下してしまい、望ましくない。

これに対して、広く流布しておりかつ安価に利用可能であるイーサネットベースのネットワーク接続は、基本的に得られるデータレートの点から有利であり、さらに、改善された機能が提供され、またコストに有利に実現可能である。

このようなイーサネットにおいてリアルタイム機能は、いわゆる切換形または産業用イーサネットないしはスイッチドイーサネットによって達成可能である。ここではコリジョンを回避するため、すべてのネットワークコンポーネントをポイント・ツー・ポイントで接続する。

しかしながらイーサネットは、コンポーネント間の最大許容間隔としてそれぞれ１００ｍのケーブル長に一般的に制限され、したがってバスシステムとしての適性は限定的である。１００ｍを上回るケーブル長を有するネットワークは一般的に、切換機能を有するアクティブな（スイッチングないしは切換）コンポーネントを有しかつローカルネットワークにおける複数のネットワークセグメントまたはネットワーク関与体を接続するために中間接続される電子切換装置、いわゆるスイッチないしはスイッチングハブを用いて構成しなければならない。アクティブコンポーネントのない典型的なバスシステムに対するイーサネットの欠点として、１つのアクティブコンポーネントが故障した際には通信コネクションが中断される。スイッチなどのアクティブコンポーネントならびにその基本的な動作の仕方は十分に公知であるため、ここではこれ以上に触れない。

図２には、例えば列車などのレール車両において使用するための基本的なイーサネットのトポロジの例が略示されている。ここではいわゆる列車ベースネットワークＺＢＮは一般的に、レール車両連結体を通って延在している。リング線路は、列車ベースネットワークＺＢＮに接続されており、また複数のアクティブコンポーネントＳＫを有する。個々のアクティブコンポーネントＳＫそれ自体には複数の端末装置、例えばコンポーネント、ブレーキ、ドア、エアコンディショナ、ＷＣ設備、パンタグラフなどが、例えばスター形トポロジで接続されている。

例えば鉄道列車、すなわち互いに連結される複数のレータ車両から構成される連結体またはコンシストにおいて、イーサネットベースのネットワークにより、従来のバスシステムないしはネットワーク技術を置き換えようとする場合、レール車両連結体の各車両を構成して、この車両が、上記の連結体の任意の各位置において連結できるようにすること（すなわち、ケーブル長の制限だけに起因して、制御可能な全体システムを得られるようにするために、連結体のどの位置に車両を連結できるかまたは連結しなければならないかに注意する必要がないこと）を前提としなければならない。このために、例えば、連結体の各（この場合に「自立式の」）車両にはそれぞれ少なくとも１つのアクティブな（スイッチ）コンポーネントおよび少なくとも１つの通信関与体が設けられており、これらが、例えば制動システム、エアコンディショナ、通信および表示または娯楽システムなどの各（部分）装置およびシステムに給電してこれを制御するのである。言い換えると、これによって保証されるのは、レール車両連結体の個々の車両の任意の編成において、イーサネットベースのネットワークにおける１００ｍの最大のセグメントケーブル長を上回らないようにすることである。ここで注意するのは、通信関与体のない車両も存在し得ることである。この場合には上記のアクティブコンポーネントは、いわゆるリピータとして動作することができる。

しかしながらレール車両連結体の動作時には、個々の車両の電力供給が少なくとも一時的に保証できない動作状況が発生し得る。このような動作状況は、例えば、２つの車両間でコネクタまたはカプラを介して案内される給電線路に発生し得る中断または接触接続障害であるか、または架線からの電力取り出しの障害である。これらのようなケースでは、車両のアクティブコンポーネントを含めた電力供給部全体が、ひいては例えば操作ブレーキのようなこれらのシステムの制御部も、少なくとも一時的に障害を受けるかまたは比較的長く持続的に動作しないことさえもあり得るのである。

殊に例えばレール車両におけるブレーキおよびドアのような安全にクリティカルな機能を有するシステムおよび壊れやすい装置用のネットワークでは、上記のような事態は許容することはできず、したがって高い利用可能度が必要である。

少なくともイーサネットに関与する機器および装置にコスト的に有利にエネルギないしは電力を供給するためのアプローチの１つは、パワーオーバーイーサネット（ＰｏＥ Power over Ethernet）と称される技術であり、ここではイーサネットの（信号）線路が、接続されたイーサネット機器用の動作電圧も導き、これらの機器に電力を供給することができる。この際に一般的にはイーサネット端末装置は、１つのアクティブコンポーネントから単一方向（すなわちこのアクティブコンポーネントから端末装置に向かう）の供給方向で給電される。パワーオーバーイーサネットそれ自体は慣用的な語の１つであり、標準化されており、また公知でもあるため、これについてここでは詳しく触れない。

上で述べたように、他の固有ないしはローカルな給電端子がなくまたアクティブコンポーネントから端末装置に向かう単一方向性をパワーオーバーイーサネットが有すること、またパワーオーバーイーサネットを利用する際には端末装置それ自体における固有電力供給部が省略できるという一般的な利点はあるが、これに起因して、パワーオーバーイーサネット単独では上記のアクティブコンポーネントないしはそれらの切換機能のフェイルセーフな給電を保証するための適切な手段にはならないのである。

したがって本発明の課題は、ネットワークが長く延在する場合に、改善されたフェイルセーフと同時に広い帯域幅を有する利用度の高いイーサネットベースネットワーク用の切換機能を有するユニットをコスト的に有利に提供することである。

さらに本発明が、一般的に産業用装置の分散ネットワークにおいて、ならびに例えばレール車両の連結体のような連結される複数の車両の連結体においても使用できるようにする。

上記の課題は、本発明により、請求項１の特徴部分に記載した特徴的構成によって解決される。本発明の有利な発展形態は従属請求項に記載されている。

本発明の基礎にあるのは、イーサネットネットワークセグメントの最大許容ケーブル長内でそれぞれ、相互に給電されかつ切換機能を有する複数のアクティブコンポーネントを設けるという一般的なアイデアである。所定数のこのようなアクティブコンポーネントは、切換機能ないしは切換機能ユニットを有する１つの機能ユニットに統合される。このようなユニットはそれぞれ、互いに独立した３個の電力源によって給電され、これらの独立した３つの電力源はそれぞれ、上記のユニットのアクティブコンポーネントを必要な範囲で給電する。上記の３つの独立した電力源とはそれぞれ、各ユニットのローカル電力供給部ないしは固有電力供給部、上記のイーサネットの第１の方向から信号線路を介して給電を行う（隣接する第１のユニットの）第１の単一方向パワーオーバーイーサネット給電部、および、上記のイーサネットの第２の方向から信号線路を介して給電を行う（隣接する第２のユニットの）第２の単一方向パワーオーバーイーサネット給電部のことである。言い換えると、切換機能ユニットは、ひいてはそのアクティブコンポーネントも、それぞれローカル電力給電部を有しており、また付加的に相異なる２つの方向からそれぞれ単一方向に、ひいては全体として相互かつ双方向な給電がパワーオーバーイーサネットを介して行われるのである。１つの切換機能ユニットの２つの電力供給部までが故障した場合であっても、この故障によってその内部のアクティブコンポーネントはまだ動作を停止せず、このため、イーサネットにはまだ通信制限が発生しない。これにより、イーサネットの利用可能度が格段に改善されて高められるのである。

この一般的なアイデアによれば、本発明は、広いないしは長い空間的な拡がりを有しかつ広い帯域幅および高い利用可能度が要求される任意の産業用イーサネットネットワークに利用可能である。

本発明の基本的な利点は、信号線路を介して冗長に電力供給を行うことにより、空間的な拡がりと同時に帯域幅を広くし得ることと、公知のトポロジにくらべてコストを低減できることと、ネットワークコンポーネントの個数が最小になることにある。

したがって上記の課題は、イーサネット用の切換機能ユニット用の装置または切換機能を有するユニットによって解決され、ここでこの装置は、切換機能ユニットを用いて１つの機能ユニットにまとめられる、上記のイーサネットの複数のアクティブコンポーネントと、アクティブコンポーネントに電力を供給するための少なくとも３つの互いに独立した電力供給部とを有しており、上記の少なくとも３つの電力供給部のうちの第１の電力供給部は、切換機能ユニットのローカル電力供給部として構成されており、上記の少なくとも３つの電力供給部のうちの第２の電力供給部は、切換機能ユニットの、イーサネットを介する第１の外部電力供給部として構成されており、上記の少なくとも３つの電力供給部のうちの第３の電力供給部は、切換機能ユニットの、イーサネットを介する第２の外部電力供給部として構成されている。

上記の切換機能ユニットは有利には、端子として少なくとも４つのイーサネットポートを有しており、これらの４つのイーサネットポートのうちの少なくとも２つは、切換機能ユニットの外部に対して外部電力としてパワーオーバーイーサネットを提供することができ、上記の４つのイーサネットポートのうちの少なくとも２つは、切換機能ユニットの外部から外部電力としてパワーオーバーイーサネットを受け取ることができる。

これによって有利にも上記の切換機能ユニットは、通常動作時にローカル電力供給部から電力が供給され、ローカル電力供給部の故障時には第１および第２の外部電力供給部のうちの少なくとも１つからパワーオーバーイーサネットによって給電される。

これにより、例えば架線を介して行われる上記の切換機能ユニットのローカルの主電力供給部ないしは固有電力供給部に障害があり、イーサネットコンポーネントの動作およびその通信に必要な電力が供給できない場合、有利にも択一的な電力供給部が利用可能になり、そのエネルギにより、上記の障害のケースにおいても少なくともイーサネットにおける通信を維持することができるのである。

この際に上記の切換機能ユニットは、第１のイーサネット線路を介し、隣接する第１の切換機能ユニットの第１のアクティブコンポーネントからパワーオーバーイーサネットによって給電することができ、上記の切換機能ユニットは、第２のイーサネット線路を介し、隣接する第２の切換機能ユニットの第２のアクティブコンポーネントからパワーオーバーイーサネットによって給電することができ、上記の電力供給は、切換機能ユニットのすべてのコンポーネントに対し、隣接する第１および第２の切換機能ユニットの第１および第２のアクティブコンポーネントによって行うことができる。

したがって第１および第２の外部電力供給部は、切換機能ユニットにおいてイーサネットを介し、パワーオーバーイーサネットを用いかつこのイーサネットの信号線路を介した切換機能ユニットの相互かつ双方向の電力供給部を構成するのである。

これによって極めて有利にも、いずれにせよ設けられているイーサネットケーブリングを介し、切換機能ユニット全体およびそこにまとめられている切換コンポーネントに対し、ならびにこれらによって給電される端末装置に対し、方向に依存しない相互かつ双方向の電力供給が提供される。

有利にはケーブルチャネルにおいてまたケーブルワイヤとして案内されるケーブリングの際に、上記の切換機能ユニットの複数のアクティブコンポーネントのうちの少なくとも一部が、切換機能ユニットの共通の１つのケーシング内に収容されると有利である。

これにより、その他の複数の利点が最小限の手間および使用材料と、最善のコスト構成とで得られる。

特別な空間的な条件がある場合または例えば既存のケーブリング、ネットワーク、装置またはシステムをエンハンスする際に有利になり得るのは、切換機能ユニットの複数のアクティブコンポーネントのうちの少なくとも一部が、切換機能ユニットの周囲に分散されて配置されており、少なくとも共通の複数の電力給電線路によって上記の切換機能ユニットに統合される場合である。提案される解決手段の上記の動作の仕方にために個々のコンポーネントをただ１つのケーシングに収容することは必ずしも必要でない。

切換機能ユニット用の装置の特別な利点は、切換機能ユニットのアクティブコンポーネントを用いてそれぞれ少なくとも１つのイーサネット端末装置にパワーオーバーイーサネットによって給電できることであり、上記のアクティブコンポーネントは、通常動作時には、少なくとも１つの端末装置に対し、ローカル電力供給部からのパワーオーバーイーサネットを受け取り、ローカル電力供給部の故障時には、少なくとも１つの端末装置に対し、第１および第２の外部電力供給部のうちの少なくとも１つからパワーオーバーイーサネットを受け取る。

これにより、故障時にも端末装置の電力供給が直接的に保証され、またこの場合に端末装置に対して別の手段を設けるかまたは手間をかける必要はない。

切換機能ユニット用の装置の別の特別な利点は、切換機能ユニットの各アクティブコンポーネントが、それぞれ別のアクティブコンポーネントから独立した、パワーオーバーイーサネット用の電力供給部を有することであり、これらの電力供給部は、外部に向かって、隣接する切換機能ユニットに対し、切換機能ユニットの相互かつ双方向の外部電力供給部を構成し、少なくとも１つの隣接する切換機能ユニットのローカル電力供給部の故障時には、上記の切換機能ユニットが、パワーオーバーイーサネットを用いて上記の少なくとも１つの隣接する切換機能ユニットに給電する。

言い換えると、有利には切換機能ユニットは、（それ自体の箇所における故障時に）外部電力受け取り側であると同時に（別ノードの故障時に）外部電力送出側の両方になり得るのであり、ここでこの外部電力の送出は、上記のユニットの、すなわち少なくとも、スイッチまたは切換機能を有するユニットのアクティブコンポーネントが、それ自体のローカル電力供給部から、パワーオーバーイーサネットを介して、必要な場合に別の切換ユニットに提供することによって行われる。したがって有利には上記のアクティブコンポーネントはそれぞれ、切換機能を有するアクティブイーサネットスイッチコンポーネントなのである。

殊に上記のイーサネットが、ライントポロジ、少なくとも部分的な１重リングトポロジ、または少なくとも部分的な２重リングトポロジを有しており、少なくとも１つのイーサネット端末装置が、スター形トポロジにおいて、アクティブスイッチとして形成されている少なくとも１つのアクティブコンポーネントに接続可能であり、および／このアクティブコンポーネントを介してパワーオーバーイーサネットによって給電可能である場合に複数の利点が得られる。

ネットワークトポロジおよび接続可能性についての自由度およびすでに広まっている適用可能性により、上で提案した解決手段は有利にも、ほぼ任意の長さおよび任意の個数のユニットの車両連結体において使用できるだけではなく、利用可能度についての要求が高く空間的に広く分散した固定に設置されるネットワークにおいても使用可能である。

例えば、切換ユニット用の上記の装置は、モジュール方式で実施して、例えば、保護を目的として、拡張を目的として、および／または、エンハンスを目的として戦略的に、および／または、あらかじめ定めた間隔でそれぞれ固有のローカル電力供給部を伴って配置することができる。

このようなケースでは有利にも切換機能ユニット用の、多数の装置ないしはモジュールを有するリアルタイムイーサネットを構築することができ、ここでは上記の切換機能ユニットはイーサネットにつぎのように相前後して配置される。すなわち、互いに隣接している少なくとも２つの切換ユニットのローカル電力供給部の故障は、これらの切換機能ユニットそれ自体に隣接しかつローカル電力供給部がエラーフリーないしは障害なしに動作している切換機能ユニットからのパワーオーバーイーサネットによって克服可能であるように相前後して配置される。

以下では有利な実施例に基づき、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

ケーブル長Ｌのネットワーク構造を有する、例えばレール車両のような例示的な車両連結体を示す概略図である。 図１に示した車両連結体におけるイーサネットの適用を示す概略図である。 １つの実施例にしたがい、イーサネットトポロジにおける切換機能ユニットの配置構成および電力供給の基本原理を示す概略図である。 上記の実施例にしたがい、イーサネットトポロジおよびそこに配置される切換機能ユニットを有する車両連結体における誤動作を説明する概略図である。

図３には、１つの実施例にしたがい、イーサネットトポロジにおける切換機能ユニットの配置構成および電力供給の基本原理が略示されている。このイーサネットトポロジはさらに例えばライン形トポロジまたはリング形トポロジで実施することができる。

図３には、例えばレール車両連結体または列車ないしはコンシストのような車両連結体を通して延在するイーサネットケーブリング３０の一部分が示されている。イーサネットケーブリング３０は、この実施例において、レール車両連結体を通って延在するイーサネットトポロジの一部である。上記の車両連結体の１つ車両を通ってイーサネットの２つずつのケーブルワイヤが延在している。基本的には１つのリング線路だけではなく、１つのネットワークトポロジの少なくとも２つの、少なくとも区分的に平行に延在するケーブルワイヤをそれぞれ別に配置することも考えられる。

イーサネットケーブリング３０に沿ってまたはこのイーサネットケーブリング３０には、（アクティブコンポーネントのない最大イーサネットケーブル長の）１００ｍよりも短い、あらかじめ定めた間隔でそれぞれ、例えば切換ないしはスイッチコンポーネントの形態のアクティブコンポーネント（ＳＫ）３２、すなわち切換機能を有するコンポーネントが配置されている。

さらに切換機能ユニットの上記の実施例によれば、複数のアクティブコンポーネント３２、この実施例では２つのアクティブコンポーネント３２が、１つの（多重）切換機能ユニット（ＭＳＫＥ）３４にまとめられている。

切換機能ユニット３４は、そこにまとめられる複数のアクティブコンポーネント３２をただ１つのケーシングに収容している。択一的には相異なる組み込み箇所またはケーブル長で複数の容器に、例えば複数のケーシング、モジュールまたは別の構成部材に分散配置することも可能である。ここで共通に決まっているのは、以下に詳しく説明する電力供給の仕方である。

まとめることの可能なアクティブコンポーネント３２のタイプは、基本的にイーサネットコンパチビリティが維持されていれば、それ以上制限されることはない。例えば、接続可能な端末装置用の端子ないしはポートの個数が異なる、サイズおよび形状が異なるアクティブコンポーネント３２も考えられる。まとめることの可能なコンポーネント３２の個数も２つには制限されない。

切換機能ユニット３４のすべての内部ないしはアクティブコンポーネント３２が、相異なる２つの方向から、パワーオーバーイーサネットを用いて給電可能であり、付加的にローカル固有電力供給部を用いて給電可能であり、切換機能ユニット３４が少なくとも４つのイーサネットポートを有しており、これらのイーサネットポートのうちの少なくとも２つがパワーオーバーイーサネットを提供でき、少なくとも２つがパワーオーバーイーサネットによって給電できるのであれば、提案される上記の解決手段には、全体として基本的な制限はない。

上記の複数のアクティブコンポーネント３２はさらに、個々のアクティブコンポーネント３２に対する電力、電流および／または電圧を必要に応じて変換または適合化するための適切な変換および／または適合化装置が切換機能ユニット３４に設けられるのではあれば、電力供給に関して相異なるパラメタを有することも可能である。

図３に略示されているように、それぞれ少なくとも１つのイーサネット端末装置（ＥＧ）３６は、接続ケーブル３８を介して、例えばスター形トポロジ（別のトポロジも可能である）で個々の切換機能ユニット３４に接続可能である。ここではさらに、切換機能ユニット３４のアクティブコンポーネント３２の個々の端子ないしはポートを切換機能ユニット３４のケーシング部分に案内して、そこで少なくとも１つの端末装置３６に接続可能であり、または切換機能ユニット３４のケーシング壁を通して各接続ケーブル３８を案内して、ここで内部的にアクティブコンポーネント３２の端子に接続可能である。アクティブコンポーネント３２ないしは切換機能ユニット３４への端末装置３６の接続に関しては制限はないため、図２の切換機能ユニットにおける端末装置３６の略示は代表として十分である。

各切換機能ユニット３４は、互い独立した少なくとも３つのエネルギないしは電力供給部（電圧および／または電流）４０ないし４２を有する。

ここで電力供給４０は、切換機能ユニット３４の直接のローカルな給電または固有電力供給である。電力供給部４０は、切換機能ユニット３４全体に対して動作電力を供給し、ひいて例えば架線および／または発電機を介して給電される車載電源網から、そこにまとめられたすべてアクティブコンポーネントに対する動作電力も供給する。さらに上記の電力供給は、一時的な車載電源網故障を克服するために、例えばバッファバッテリまたはコンデンサ装置のような非常時給電部を用いて付加的に確保することができる。電力供給部４０は、障害のない通常動作において切換機能ユニット３４を給電し、パワーオーバーイーサネットとは異なり、ベースにある車載電源網の電力機能によってだけによって制限される。

電力供給部４１，４２は、パワーオーバーイーサネット給電部であり、これは、イーサネットケーブリング内でイーサネットの（信号）線路を介し、（矢印によって示した）単一方向に別の装置に対する動作電力を供給する。

図３に示した１つの実施例によれば、各切換機能ユニット３４は、少なくとも１つの隣の、例えばイーサネットの経路において隣接する切換機能ユニット３４からパワーオーバーイーサネットを用いて電力を受け取り、および／または、少なくとも１つの別の隣の、例えば、イーサネットの別の経路において隣接する切換機能ユニット３４にパワーオーバーイーサネットを用いて電力を供給する。各切換機能ユニット３４は、パワーオーバーイーサネット供給４１，５２用の電力も取り出される固有のローカル電力供給部４０を有するため、各切換機能ユニット３４は、それぞれ両側に隣接する切換機能ユニット３４に対する付加的な（イーサネットケーブリングを介してリモートで行われるため、ローカルでない）電力供給部を構成する。パワーオーバーイーサネットはそれ自体でみると単一方向に給電を行うが、パワーオーバーイーサネットを介して隣接する複数の切換機能ユニット３４から電力供給が行われ得ることにより、第１の方向および第２の方向からの切換機能ユニット３４の相互かつ双方向に電力供給が行われる。

例えば（図２において点線の接続線で示され、リング線路とし得る）イーサネット線路に一方の循環方向を与える場合、図２の中央に配置した切換機能ユニット３４は、そのローカル電流供給部４０によって給電することができると共に、（例えば右側から第１の、上側のイーサネット電力区画を介して、すなわち、図２の右側の切換機能ユニット３４からの）第１の方向から、および、（例えば左側から第２の、下側のイーサネット電力区画を介して、すなわち図３の左側の切換機能ユニット３４からの）第２の方向からも給電することができる。この切換装置は、上記の実施例によれば、各切換機能ユニット３４に設けられているため、ここで提案した電力供給原理は、イーサネット（リング）線路全体にわたって、またレール車両連結体または列車の例の場合には、レール車両連結体全体にわたって継続される。

図４には、上記の実施例にしたがい、イーサネットリングトポロジおよびそこに配置された切換機能ユニット３４を有するレール車両連結体における誤動作を説明するための略図が示されている。

図４には、例えば１６個の車両Ｃ１ないしＣ１６からなるレール車両連結体またはコンシストが含まれている。車両Ｃ１ないしはＣ１６の各車両には、図３に示した少なくとも１つの切換機能ユニット３４が含まれている。図３に関連してすでに説明した部材および参照符号の繰り返しは、わかりやすくするために図４では省略する。

車両Ｃ１およびＣ１６は、車両運転手またはリモート制御によって制御可能な駆動車両とすることができ、例えば動力車、機関車または一般的な牽引車とすることができ、これらは、少なくとも１つの切換機能ユニット３４に他にそれぞれ少なくとも１つの、適切に設計された主またはネットワーク制御装置５０を有する。必要に応じて設計されるネットワーク制御装置５０は、レール車両連結体のイーサネットと、そこに設けられておりかつそれに接続されているコンポーネントとをあらかじめ定めたように制御して調整するために設けられている。ここで考察しているレール車両連結体のイーサネットの部分は、リング線路またはリングトポロジであり、これは、冗長特性を有しており、また個別のリング構造および／または少なくとも部分的に２重リング構造として実施することができる。

車両Ｃ２ないしＣ１５はこの実施例において、上述のように、それぞれ少なくとも１つの（多重）切換機能ユニット３４を有する連結された車両であり、この切換機能ユニットそれ自体には、パワーオーバーイーサネットを有する、すなわち、イーサネットの（信号）線路を介して、アクティブコンポーネント３２に接続された端末装置３６に電力を供給する能力を有する少なくとも２つのアクティブコンポーネントが含まれている。車両Ｃ２ないしはＣ１５は駆動部を有しない、すなわち被駆動式の車両とすることが可能である。

各アクティブコンポーネント３２は、複数の入力端子または入力ポートのうちの１つにおいて、隣接する第１のアクティブコンポーネント３２から到来するイーサネット線路と接続されており、また複数の出力端子または出力ポートのうちの１つにおいて、隣接する第２のアクティブコンポーネント３２に至るイーサネット線路と接続されている。さらに各アクティブコンポーネント３２は、別の複数の出力端子を有しており、これらの出力端子には相応する複数の端末装置３６が接続可能であり、および／または、これらの端末装置には、場合によってはパワーオーバーイーサネットを介して、アクティブコンポーネント３２から電力を供給可能である。同様に第２のアクティブコンポーネント３２からの接続およびこれに至る接続（慣用の語法においてアップリンクとも称される）も行うことができる。

さらに各切換機能ユニット３４は、図３に基づいて説明した互いに独立した少なくとも３つの電力供給部を有しており、切換機能ユニット３４内のすべてのアクティブコンポーネント３２はこれらの電力供給部を同時に利用可能である。

以下では図４に基づいて、例示的に考察するレール車両連結体の考えられ得る故障のケースを説明する。

第１の故障のケースは、例えば、車両Ｃ２およびＣ３において（各ローカル電力供給部４０において（稲妻形の）中断シンボル用によって示した）ローカル電力供給部４０が中断している場合に発生し得る。上で説明したように、このような中断は、例えば、個々の車両間の車載電源網におけるケーブル断線または接触接続障害によって、または個々の車両の架線からの電流取り出しが行われないことによっていつでも発生し得る。

この場合、別の手段がなければ、このレール車両連結体の２つの車両Ｃ２およびＣ３は少なくとも一時的に無電流状態になる。これにより、これらの車両Ｃ２およびＣ３のアクティブコンポーネント３２およびこれに接続されたすべての端末装置３６も動作しなくなる。これは、これらの端末装置３６が、同様にこの端末装置における固有電力供給部によって給電されるか、またはこの車両Ｃ２およびＣ３のアクティブコンポーネント３２からパワーオーバーイーサネットを介して給電されるかに依存しない。さらにこの第１の故障のケースでは、レール車両のこのイーサネットを介する通信も障害を受ける。なぜならばデータパケット、フレームまたはトークンは、ネットワークトポロジにおける循環方向とは無関係に、車両Ｃ２ないしはＣ３の反対側にそれぞれあるネットワークの部分にはもはや到達できないからである。この場合には、上記のイーサネットももはや利用できないのである。

上記の実施例によれば、このような故障のケースはつぎのようにすることによって回避される。すなわち、車両Ｃ２およびＣ３のローカル電力供給部４０が故障した際には、車両Ｃ２の切換機能ユニット３４の電力供給、ひいてはそこに含まれているアクティブコンポーネント３２，および場合によってそれに接続された端末装置３６の電力供給も、車両Ｃ２の外部から、すなわち車両Ｃ１から、上記のイーサネットの信号線路を介してパワーオーバーイーサネットによって引き継ぐのであり（図４において車両Ｃ１から車両Ｃ２の方を指す矢印によって示されている）、また車両Ｃ３の切換機能ユニット３４の電力供給、ひいてはそこに含まれているアクティブコンポーネント３２、および場合によってそれに接続された端末装置３６の電力供給も、車両Ｃ３の外部から、すなわち車両Ｃ４から、イーサネットの信号線路を介してパワーオーバーイーサネットによって引き継ぐのである（図４において車両Ｃ４から車両Ｃ３の方を指す矢印によって示されている）。

したがってこの実施例によれば、２つの車両Ｃ２，Ｃ３の切換機能ユニット３４のローカル電力供給部４０の中断は、パワーオーバーイーサネットを介し（図３の４１，４２）、このレール車両連結体の隣接する車両Ｃ１，Ｃ４から、これらの切換機能ユニット３４に相互かつ双方向に代替的に電力供給することによって解決できるのである。

上記のイーサネットの信号線路を介するこのような代替的な電力供給は、つねに準備しておくことができ、または択一的には例えば（図示しない）固有給電監視装置およびパワーオーバーイーサネット接続装置を用いて、実際の故障のケースにおいてはじめて自動的ないしは自律的に十分に迅速にスイッチオンないしは接続することが可能である。

したがって第１の故障のケースにおいて少なくとも、２つの車両Ｃ２，Ｃ３の、レール車両連結体のイーサネット全体に必要なコンポーネントは動作可能状態に維持されるため、このイーサネットに接続されているコンポーネントおよび装置の制御も引き続いて可能であり、個々のアクティブコンポーネント３２に接続されている端末装置３６、例えばコンポーネント、ブレーキ、ドア、エアコンディショナ、ＷＣ設備、パンタグラフなどは給電可能、応動可能および制御可能な状態に維持されるのである。

上述したことに類似して、レール車両連結体の別の車両のローカル電力供給部４０、例えば、車両Ｃ２およびＣ３のローカル電力供給部４０だけでなく、車両Ｃ５およびＣ６のローカル電力供給部４０も中断してしまった第２の故障のケースにおいて上記のイーサネットの動作を保証することができる。

１つの変形形態において、まず一時的であるが中断を生じることなく、車両Ｃ１ないしＣ１６のそれぞれにまたはそれらの一部に設けられている非常用エネルギ蓄積装置により、例えば切換機能ユニット３４におけるまたは切換機能ユニット３４内の、例えば適切に容量が定められたバッファバッテリまたは適切に容量が定められたコンデンサ装置のような非常用エネルギ蓄積装置により、上記の代替的な電力供給を中断を生じることなく引き継ぎ、上記の故障のケースが、あらかじめ定めた時間だけ持続するか、および／または上記の非常用エネルギ蓄積装置のエネルギリザーバが空になってはじめて、隣接する車両からパワーオーバーイーサネットを用いて上記の代替的な電力供給部を接続することも可能である。

言い換えると、上記の実施例によれば、１つの装置、機器および／またはコンポーネントが実現され、１つの装置、機器および／またはコンポーネントに少なくとも４つのイーサネットポートが設けられ、これらのイーサネットポートのうちの少なくとも２つのポートは、パワーオーバーイーサネットに給電することができ、少なくとも２つのポートは、パワーオーバーイーサネットを受信することでき、また上記の装置、機器ないしはコンポーネントは、切換機能を有する複数のアクティブコンポーネント３２を１つの装置に統合するかないしは動作的および機能的に１つにまとめるのである。上記のネットワーク機能について、上記の装置、機器ないしはコンポーネントにおけるアクティブコンポーネント３２は互いに独立している。切換機能ユニット３４としての上記の装置、機器ないしはコンポーネントは、互いに独立した３つの電力源４０，４１および４２によって給電され、これらの３つの電力源は、位置的および空間的に分かれている（これらの電力源は、例えば、相異なる３つの車両に、すなわち自車両と別の２つの車両にあり、必ずしも直接隣接する車両にではないが、イーサネットの最大許容セグメント長内にある）。自車両の外部からの電力供給４１，４２は、イーサネット信号線路を介して行われる。これにより、有利にもケーブリングコストが格段に低減され、格段にコストダウンを行うことができる。アクティブコンポーネント３２はパワーオーバーイーサネットを用いてそれぞれ別のアクティブコンポーネント３２を給電するため、パワーオーバーイーサネットにより、相互かつ双方向の給電が実現される。２つのアクティブコンポーネント３２が共通に１つの外部電力供給部から信号線路を介して給電されることにより、有利にも上記のコンポーネントおよびイーサネットにおける通信の利用可能度が高まる。

したがって上記の実施例によって有利にも達成されるのは、隣接する２つの切換機能ユニット３４に関連する２重の故障（例えばＣ２，Ｃ３；Ｃ５，Ｃ６；Ｃ８，Ｃ９）がなお上記のイーサネットに通信制限を生じさせないことである。さらに２つの２重の故障（例えばＣ２，Ｃ３およびＣ５，Ｃ６）の間で少なくとも１つがエラーフリー（Ｃ４）であれば、複数個の２重の故障も通信制限を生じさせないである。

ここまで本発明を実施例としてのレール車両連結体に基づいて説明してきた。しかしながら本発明はレール車両連結体に限定されず、殊に１つの切換機能ユニットによってちょうど２つのアクティブコンポーネントが１つのユニットにまとめられるレール車両連結体には限定されず、直ちにわかるように任意のイーサネットライン構造に適用可能であり、全体においてネットワークの特徴についての利点として得られるのは、広い帯域幅および高い利用可能度と同時に長い空間的なサイズであり、公知のトポロジに比べてコスト的に有利な実現可能性であり、信号線路を介する上記の冗長の電力供給によって必要なケーブリングコストが低減され、また全体として必要なネットワークコンポーネントが個数は最小限になる。

上述した本発明の説明に類似する複数の修正は、当業者は容易に行うことができ、したがって本発明が対象とするものから逸脱したものとみなすべきでなく、また特許請求の範囲のみによって規定される保護範囲の逸脱とみなすべきではない。

Claims (12)

1. イーサネット用の切換機能ユニット用の装置において、
   該装置は、
   前記切換機能ユニット（３４）を用いて１つの機能ユニットにまとめられる、前記イーサネットの少なくとも２つのアクティブコンポーネント（３２）と、
   前記アクティブコンポーネント（３２）に電力を供給するための少なくとも３つの互いに独立した電力供給部（４０，４１，４２）とを有しており、
   前記少なくとも３つの電力供給部（４０，４１，４２）のうちの第１の電力供給部は、前記切換機能ユニット（３４）のローカル電力供給部（４０）として構成されており、
   前記少なくとも３つの電力供給部（４０，４１，４２）のうちの第２の電力供給部は、前記切換機能ユニット（３４）の、イーサネットを介する第１の外部電力供給部（４２）として構成されており、
   前記第１の外部電力供給は、第１の方向に単一方向に給電しかつ少なくとも２つのアクティブコンポーネント（３２）の第１部分に接続されている第１のイーサネットケーブリング（３０）から行われ、
   前記少なくとも３つの電力供給部（４０，４１，４２）のうちの第３の電力供給部は、前記切換機能ユニット（３４）の、イーサネットを介する第２の外部電力供給部（４１）として構成されており、
   前記第２の外部電力供給は、第２の方向に単一方向に給電しかつ少なくとも２つのアクティブコンポーネント（３２）の第２部分に接続されている第２のイーサネットケーブリング（３０）から行われる、
   ことを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   前記切換機能ユニット（３４）は、端子として少なくとも４つのイーサネットポートを有しており、
   当該４つのイーサネットポートのうちの少なくとも２つは、前記切換機能ユニット（３４）の外部に対して外部電力としてパワーオーバーイーサネットを提供することができ、
   前記４つのイーサネットポートのうちの少なくとも２つは、前記切換機能ユニット（３４）の外部から外部電力としてパワーオーバーイーサネットを受け取ることができる、
   ことを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   前記切換機能ユニット（３４）は、通常動作時に前記ローカル電力供給部（４０）によって電力が供給され、
   前記ローカル給電部（４０）の故障時には、前記第１および第２の外部電力供給部（４１，４２）のうちの少なくとも１つからパワーオーバーイーサネットによって給電される、
   ことを特徴とする装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   前記切換機能ユニット（３４）は、前記第１のイーサネット線路を介して、第１の隣接する切換機能ユニット（３４）の第１のアクティブコンポーネント（３２）からパワーオーバーイーサネットによって給電され、
   前記切換機能ユニット（３４）は、前記第２のイーサネット線路を介して、第２の隣接する切換機能ユニット（３４）の第２のアクティブコンポーネント（３２）からパワーオーバーイーサネットによって給電され、
   前記電力供給は、前記切換機能ユニット（３４）のすべてのアクティブコンポーネント（３２）に対し、前記隣接する第１および第２の切換機能ユニット（３４）の前記第１および第２のアクティブコンポーネント（３２）によって行われる、
   ことを特徴とする装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   イーサネットを介する前記第１および第２の外部電力供給部（４１，４２）は、前記切換機能ユニット（３４）において、前記イーサネットの信号線路を介しかつパワーオーバーイーサネットを用いた、前記切換機能ユニット（３４）の相互かつ双方向の電力供給部を構成する、
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   前記切換機能ユニット（３４）の複数の前記アクティブコンポーネント（３２）の少なくとも一部は、前記切換機能ユニット（３４）の共通の１つのケーシング内に収容されている、
   ことを特徴とする装置。
7. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   前記切換機能ユニット（３４）の複数の前記アクティブコンポーネント（３２）の少なくとも一部は、前記切換機能ユニット（３４）の周囲に分散して配置されており、
   少なくとも共通の複数の電力供給線路によって前記切換機能ユニット（３４）に統合されている、
   ことを特徴とする装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   前記切換機能ユニット（３４）の複数の前記アクティブコンポーネント（３２）を用いてそれぞれ、パワーオーバーイーサネットによって少なくとも１つのイーサネット端末装置（３６）に給電することができ、
   複数の前記アクティブコンポーネント（３２）は、通常動作時には、前記少なくとも１つの端末装置（３６）に対し、前記ローカル電力供給部（４０）からパワーオーバーイーサネットを受け取り、
   前記ローカル電力供給部（４０）の故障時には、前記少なくとも１つの端末装置（３６）に対し、イーサネットを介して前記第１および第２の外部電力供給部（４１，４２）のうちの少なくとも１つからパワーオーバーイーサネットを受け取る、
   ことを特徴とする装置。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
   前記切換機能ユニット（３４）の前記アクティブコンポーネント（３２）はそれぞれ、それぞれ別のアクティブコンポーネントから独立した、パワーオーバーイーサネット用の電力供給部（４１，４２）を有しており、該電力供給部は、外部に向かって、隣接する切換機能ユニット用に対し、前記切換機能ユニット（３４）の相互かつ双方向の外部電力供給部を構成し、
   少なくとも１つの隣接する切換機能ユニットの前記ローカル電力供給部（４０）の故障時には、前記切換機能ユニット（３４）が、パワーオーバーイーサネットを用いて前記少なくとも１つの隣接する切換機能ユニットに給電する、
   ことを特徴とする装置。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
    前記アクティブコンポーネント（３２）はそれぞれ、切換機能を有するアクティブイーサネットスイッチコンポーネントである、
    ことを特徴とする装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載の切換機能ユニット用の装置において、
    前記イーサネットは、ライントポロジ、少なくとも部分的な１重リングトポロジ、または少なくとも部分的な２重リングトポロジを有しており、
    少なくとも１つのイーサネット端末装置（３６）は、スター形トポロジにおいて、アクティブスイッチとして形成されている少なくとも１つの前記アクティブコンポーネント（３２）に接続可能であり、および／または当該アクティブコンポーネントを介してパワーオーバーイーサネットによって給電可能である、
    ことを特徴とする装置。
12. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の、切換機能ユニット（３４）用の複数の装置を有するリアルタイムイーサネットにおいて、
    複数の前記切換機能ユニット（３４）は、
    互いに隣接している少なくとも２つの切換機能ユニット（３４）の複数の前記ローカル給電部（４０）の故障が、当該隣接する切換機能ユニットそれ自体に隣接しかつそのローカル電力供給部（４０）がエラーフリーで動作している複数の切換機能ユニット（３４）からのパワーオーバーイーサネットによって克服可能であるように、
    相前後して前記イーサネットに配置されている、
    ことを特徴とするリアルタイムイーサネット。

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